哈尔滨理工大学专科生毕业论文
二维硬态切削过程的有限元仿真
摘 要
本文提供了一个用聚晶立方氮化硼刀具（PCBN）切削淬硬钢的有限元分析模型。该模型基于自适应网格技术和大变形技术，从而解决了在切屑变形过程中由于网格变形过大出现的网格畸变问题。在模拟切屑形成的过程中，使用了纯粹的变形技术来弥补了基于切屑分离准则的传统有限元模型的不足。这种方法不仅消除了切屑分离准则和预先定义分离线的需要，同时获得了一个更加真实和合理的切屑成形过程。本文用商业有限元软件ABAQUS/Explicit模拟不同刀具几何参数对切削力的影响，建立了直角切削时平面应变条件下刀具切削过程的仿真模型，并对不同切削几何参数（倒棱角度、切削速度）的有限元模型进行了计算分析和比较，并通过进行正交高速切削实验与仿真结果进行对比，得出了较为合理的硬态切削过程的刀具几何参数，这对实际切削过程的刀具优化设计和降低成本有着重要的指导意义。
关键词 切削仿真；ABAQUS/Explicit 软件；自适应网格技术；二维直角切削
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目 录
摘 要 ................................................................................................................. I 第1章 绪论 ........................................................................................................ 1 1.1 课题背景 ................................................................................................... 1 1.1.1 课题来源 ............................................................................................ 1 1.1.2 课题的研究的背景和意义 ................................................................ 1 1.1.3 课题的总体内容 ................................................................................ 1 1.2 超硬刀具材料发展状况 ........................................................................... 2 1.2.1 概述 .................................................................................................... 2 1.2.2 超硬刀具材料发展概况 .................................................................... 2 1.2.3 PCBN刀具的性能及应用 ................................................................. 3 1.3 有限元仿真技术在切削加工中应用 ....................................................... 6 1.4 有限元仿真技术发展状况及前景 ........................................................... 8 1.4.1 ABAQUS............................................................................................. 8 1.4.2 几种有限元软件的发展和比较 ...................................................... 11 1.4.3 国内外有限元软件的发展与现状 .................................................. 12 1.5 本章小结 ................................................................................................. 13 第2章 有限元方法简介 .................................................................................. 14 2.1 有限元法分析问题概述 ......................................................................... 14 2.2 平面问题的有限元法 ............................................................................. 16 2.3 ABAQUS/Explicit分析的基本原理 ....................................................... 16 2.3.1 切屑成形仿真 .................................................................................. 16 2.3.2 稳定时间限定值 .............................................................................. 17 2.3.3 接触和摩擦分析 .............................................................................. 17 2.3.4 自适应网格技术 .............................................................................. 18 2.4 本章小结 ................................................................................................. 20 第3章 ABAQUS的仿真建模 ........................................................................ 21 3.1 金属切削过程描述 ................................................................................. 21 3.2 ABAQUS仿真模型的建立..................................................................... 21 3.2.1 总体模型 .......................................................................................... 21 3.2.2 材料特性 .......................................................................................... 23 3.2.3 边界条件 .......................................................................................... 23 3.2.4 划分网格 .......................................................................................... 23 3.2.5 提交作业 .......................................................................................... 24 3.3 模型子程序 ............................................................................................. 24 3.4 本章小结 ................................................................................................. 30
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第4章 ABAQUS的仿真计算分析与结果比较 ............................................ 31 4.1 倒棱角度对切削力的影响 ..................................................................... 31 4.1.1 实验参数 .......................................................................................... 31 4.1.2 切削过程的模拟结果 ...................................................................... 31 4.1.3 工件切削区域的应力分布 .............................................................. 32 4.1.4 切削力影响分析 .............................................................................. 34 4.2 刀具进给速度对切削力的影响 ............................................................. 35 4.2.1 实验参数 .......................................................................................... 35 4.2.2 工件切削区域的应力分布 .............................................................. 35 4.2.3 切削力影响分析 .............................................................................. 35 4.3 正交切削实验 ......................................................................................... 37 4.3.1 实验条件 .......................................................................................... 37 4.3.2 正交高速硬态切削实验 .................................................................. 38 4.4 本章小结 ................................................................................................. 40 结论 .................................................................................................................... 41 参考文献 ............................................................................................................ 42 致谢 .................................................................................................................... 44 附录 .................................................................................................................... 45
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第1章 绪论
1.1 课题背景
1.1.1 课题来源
本课题来源于国家自然科学基金项目“淬硬钢高速切削过程的建模与仿真”。
1.1.2 课题的研究的背景和意义
21世纪生产工程的重要内容之一是面向环境清洁的绿色制造技术，国际生产工程学会一直对生态平衡、环境保护、可持续发展给予充分重视，制造过程导致的环境污染已引起世界各国的重视，环境问题和资源问题是当前和今后相当长一段时间人类社会面临的主要问题[1]。制造业作为创造人类财富的支柱产业，同时又是产生环境问题的主要根源。如何使制造业尽可能少地产生污染，由此产生了一个有利于环保的生产加工技术——硬态切削技术，然而与世界先进水平相比，目前我国的切削加工技术水平还比较低，努力提高切削技术水平对推进我国机械制造业具有重要意义，因此此课题以研究硬态切削技术为出发点，在试验和有限元仿真结合的基础上，来进一步理解和学习硬态切削技术[1]。
1.1.3 课题的总体内容
运用有限元分析软件ABAQUS/ Explicit对硬态切削的过程进行有限元仿真仿真，通过与实验结果进行相应的分析和对比，进而验证有限元模型的正确与否。
1．在熟练掌握金属切削理论、有限元法基本理论、弹塑性变形理论、及能熟练操作ABAQUS软件的前提下对整个切削过程进行理论分析。
2．在GCr15硬态切削试验的基础上，应用ABAQUS的前处理建立金属切削的有限元模型，通过控制刀具运动模拟切削过程，计算分析，完成对金属切削过程的动态数值模拟。得到了构件切削加工过程中切屑形成的模拟过程。同时得到了在加工过程中工件和切屑中的应力、应变分布情况．
3．阐述金属切削有限元技术的建模原理及其关键技术。
4．在学习有限元理论和切削加工机理的基础上，利用ABAQUS/ Explicit建立了PCBN刀具在中速的情况下切削GCr15的切削模型。
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